Einführung:

Im Kompetenzfeld Fahrzeugmechatronik sind im Forschungsschwerpunkt Fahrzeugsicherheit in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Brandmeier mehrere Forschungsprojekte zum Thema Körperschall beheimatet. In verschiedenen Projekten werden in Kooperation mit Partnerfirmen Schwerpunktthemen behandelt. Bei der Erarbeitung der Forschungsergebnisse wird großer Wert auf die Zusammenarbeit im Gesamtkooperationsnetzwerk gelegt. Dabei wird versucht, für die jeweiligen Partnerunternehmen wichtige Themen wissenschaftlich aufzuarbeiten.

Auf dieser Basis wurde im Jahr 2006 das Projekt „Crashsensorik mit Körperschall“ in direkter Kooperation der Audi AG und Continental Automotive aufgesetzt.

Problemstellung:

Herkömmliche Crasherkennung und -klassifizierung ist mittlerweile technologisch sehr ausgereift. Mit im Fahrzeug verteilten Beschleunigungs- und Drucksensoren werden lokale und globale Verzögerungen sowie Druckänderungen durch Intrusion aufgezeichnet. Aus diesen Daten erkennen Algorithmen, dass ein Crash auftritt und wie schwer dieser ist. Schließlich werden Rückhaltemittel wie Gurtstraffer oder Airbagsysteme ausgelöst, um so das Verletzungsrisiko für die Insassen zu mindern. Die Anforderungen der Gesetzgeber werden stetig erweitert und auch Endkunden lassen sich nur mit erstklassigen Einstufungen durch Rating-Agenturen wie EuroNCAP überzeugen. Verbesserungen an Crasherkennungssystemen werden zumeist durch Optimierungen von Sensorpositionen und durch immer bessere und komplexere Algorithmen erreicht.

Körperschallsensorik hat in diesem Zusammenhang eine neue Tür aufgestoßen: Mehr Information bei gleichzeitiger Reduktion der Komplexität und Kosten.

Während eines Crashs werden Teile des Fahrzeugs deformiert, das Fahrzeug wird abgebremst und Bewegungsenergie in andere Energieformen umgewandelt. Dabei entstehen auch hochfrequente Schwingungen in der Fahrzeugstruktur, die im hörbaren Frequenzbereich liegen und als Körperschall bezeichnet werden. Ein Körperschallsensor misst also nicht nur die niederfrequente Verzögerung des Fahrzeugs, sondern zusätzlich hochfrequenten Körperschall, der durch die Deformation des Fahrzeugs entsteht. Damit liefert ein Körperschallsensor deutlich mehr Information als ein herkömmlicher Beschleunigungssensor, beispielsweise wenn ein Fahrzeug mit einem anderen Fahrzeug zusammenstößt. Im ersten Moment solcher Kollisionen wird zunächst die Deformationszone zerstört, später allerdings treffen die Motorblöcke aufeinander und die Fahrzeuge werden stark verzögert. Da diese Verzögerung aber auf Grund der Massenträgheit die größte Gefahr für die Insassen darstellt, ist es wünschenswert die Rückhaltemittel rechtzeitig auszulösen. Hier spielt die Körperschallsensorik ihre Stärken aus. Sie stellt Information über die Fahrzeugdeformation zu einem frühen Zeitpunkt im Crash zur Verfügung. Körperschallsensorik bringt einen weiteren Vorteil: Die Information breitet sich mit bis zu 5000 Metern pro Sekunde durch die Fahrzeugstruktur zum Steuergerät aus und externe Sensoren müssen nicht über Leitungen mit dem Steuergerät verbunden werden. Das reduziert die Komplexität des Systems und damit auch die Systemgesamtkosten.

Eine solche Innovation verlangt Neuerungen und Anpassungen im Entwicklungsprozess eines Airbagsteuergeräts und der zugehörigen Algorithmen. Ein Teil dieser Aufgabe wurde im Jahr 2006 von der Audi AG in einem Kooperationsverbund mit Continental Automotive als Forschungsprojekt an das IAF übertragen.

Zielsetzung:

Das erklärte Ziel des Projekts ist die Absicherung des Fahrzeugeinsatzes von Körperschallsensorik und die Vereinfachung des Entwicklungsprozesses durch Bereitstellung von Simulationsmethoden für Körperschall im Fahrzeugcrash. Die Projektlaufzeit endet im August 2009. In der ersten Phase wurden Entwicklungswerkzeuge sowie standardisierte Testverfahren entwickelt und relevante Einflussfaktoren untersucht. Die enge Zusammenarbeit der Projektpartner erlaubt es, die Erkenntnisse soweit wie möglich zeitnah in den Entwicklungsprozess einfließen zu lassen. Untersuchungen, die der Absicherung von Körperschallsensorik dienen, werden bis zum Ende der Projektlaufzeit weiter betrieben. Darüber hinaus liegt in der zweiten Projektphase der Fokus auf der Entwicklung von Berechnungsmethoden für hochfrequente Schwingungsausbreitung in Fahrzeugstrukturen.

Durchführung:

Mit den bereits abgeschlossenen Absicherungsuntersuchungen und durch den Einsatz der am IAF entstandenen Entwicklungswerkzeuge ist die CISS (Crash Impact Sound Sensing) Technologie mittlerweile bei Volkswagen im Golf (neues Modell 2008) serienmäßig verbaut. Im Rahmen des Entwicklungsprozesses führte das IAF auch Untersuchungen zur Körperschallausbreitung an Vorserienmodellen dieses Typs durch. Mittels Spezialmessverfahren lässt sich die Qualität der Körperschallübertragung in der Fahrzeugkarosserie bis zum Steuergerät bestimmen. Entscheidende Herausforderungen, die die Forschungsgruppe hier bewältigt hat, sind der extrem hohe und breite Frequenzbereich der Schwingungen. Die CISS Technologie basiert auf einem Frequenzband von 6-18 Kilohertz. Durch die am IAF entwickelten Mess- und Auswerteverfahren können auch in diesem Frequenzbereich zuverlässige Aussagen über die Körperschallausbreitung getroffen werden. Der Erfolg dieser Methode wird dadurch bestätigt, dass weitere Fahrzeughersteller Untersuchungen dieser Art am IAF anfragen. Alle neuen Modelle der Projektpartner werden mittlerweile in einem frühen Stadium ausführlichen Untersuchungen zum Thema Körperschallentstehung und Körperschallausbreitung unterzogen.